Bagaimana jika…kita mendapat superkonduktor suhu tinggi? Pengikat harapan

Talian penghantaran tanpa kehilangan, kejuruteraan elektrik suhu rendah, superelektromagnet, akhirnya memampatkan berjuta-juta darjah plasma secara perlahan dalam reaktor termonuklear, rel maglev yang senyap dan laju. Kami mempunyai begitu banyak harapan untuk superkonduktor...

Superkonduktiviti keadaan bahan sifar rintangan elektrik dipanggil. Ini dicapai dalam beberapa bahan pada suhu yang sangat rendah. Dia menemui fenomena kuantum ini Kamerling Onnes (1) dalam merkuri, pada tahun 1911. Fizik klasik gagal untuk menerangkannya. Selain rintangan sifar, satu lagi ciri penting superkonduktor ialah menolak medan magnet daripada isipadunyaapa yang dipanggil kesan Meissner (dalam superkonduktor jenis I) atau pemfokusan medan magnet ke dalam "vorteks" (dalam superkonduktor jenis II).

Kebanyakan superkonduktor hanya berfungsi pada suhu yang hampir kepada sifar mutlak. Ia dilaporkan 0 Kelvin (-273,15 °C). Pergerakan atom pada suhu ini ia hampir tidak wujud. Ini adalah kunci kepada superkonduktor. Seperti biasa elektron bergerak dalam konduktor berlanggar dengan atom bergetar lain, menyebabkan kehilangan tenaga dan rintangan. Walau bagaimanapun, kita tahu bahawa superkonduktiviti adalah mungkin pada suhu yang lebih tinggi. Secara beransur-ansur, kami menemui bahan yang menunjukkan kesan ini pada tolak Celcius yang lebih rendah, dan baru-baru ini malah pada tambah. Walau bagaimanapun, ini sekali lagi biasanya dikaitkan dengan penggunaan tekanan yang sangat tinggi. Impian terbesar ialah mencipta teknologi ini pada suhu bilik tanpa tekanan besar.

Asas fizikal untuk penampilan keadaan superkonduktiviti ialah pembentukan pasangan perebut kargo - yang dipanggil Cooper. Pasangan sedemikian boleh timbul akibat penyatuan dua elektron dengan tenaga yang serupa. tenagai Fermiego, iaitu tenaga terkecil yang mana tenaga sistem fermionik akan meningkat selepas penambahan satu unsur lagi, walaupun apabila tenaga interaksi antara mereka adalah sangat kecil. Ini mengubah sifat elektrik bahan, kerana pembawa tunggal adalah fermion dan pasangannya adalah boson.

Bekerjasama oleh itu, ia adalah sistem dua fermion (contohnya, elektron) yang berinteraksi antara satu sama lain melalui getaran kekisi kristal, dipanggil fonon. Fenomena itu telah diterangkan Leona memberi kerjasama pada tahun 1956 dan merupakan sebahagian daripada teori BCS superkonduktiviti suhu rendah. Fermion yang membentuk pasangan Cooper mempunyai separuh putaran (yang diarahkan ke arah yang bertentangan), tetapi putaran sistem yang terhasil penuh, iaitu pasangan Cooper ialah boson.

Superkonduktor pada suhu tertentu ialah beberapa unsur, contohnya, kadmium, timah, aluminium, iridium, platinum, yang lain masuk ke dalam keadaan superkonduktiviti hanya pada tekanan yang sangat tinggi (contohnya, oksigen, fosforus, sulfur, germanium, litium) atau dalam bentuk lapisan nipis (tungsten, berilium, kromium), dan sesetengahnya mungkin belum menjadi superkonduktor, seperti perak, kuprum, emas, gas mulia, hidrogen, walaupun emas, perak dan kuprum adalah antara konduktor terbaik pada suhu bilik.

"Suhu tinggi" masih memerlukan suhu yang sangat rendah

Pada tahun 1964 William A. Little mencadangkan kemungkinan wujudnya superkonduktiviti suhu tinggi dalam polimer organik. Cadangan ini adalah berdasarkan pasangan elektron pengantara exciton berbanding pasangan pengantara fonon dalam teori BCS. Istilah "superkonduktor suhu tinggi" telah digunakan untuk menggambarkan keluarga baru seramik perovskit yang ditemui oleh Johannes G. Bednorz dan C.A. Müller pada tahun 1986, yang mana mereka menerima Hadiah Nobel. Superkonduktor seramik baharu (2) ini diperbuat daripada kuprum dan oksigen bercampur dengan unsur lain seperti lanthanum, barium dan bismut.

2. Plat seramik berlegar di atas magnet berkuasa

Dari sudut pandangan kami, superkonduktiviti "suhu tinggi" masih sangat rendah. Untuk tekanan biasa, hadnya ialah -140°C, malah superkonduktor sedemikian dipanggil "suhu tinggi". Suhu superkonduktiviti -70°C untuk hidrogen sulfida telah dicapai pada tekanan yang sangat tinggi. Walau bagaimanapun, superkonduktor suhu tinggi memerlukan nitrogen cecair yang agak murah berbanding helium cecair untuk penyejukan, yang penting.

Sebaliknya, ia kebanyakannya seramik rapuh, tidak begitu praktikal untuk digunakan dalam sistem elektrik.

Para saintis masih percaya bahawa terdapat pilihan yang lebih baik menunggu untuk ditemui, bahan baru yang indah yang akan memenuhi kriteria seperti superkonduktiviti pada suhu bilikberpatutan dan praktikal untuk digunakan. Beberapa penyelidikan telah memberi tumpuan kepada kuprum, kristal kompleks yang mengandungi lapisan atom kuprum dan oksigen. Penyelidikan diteruskan ke atas beberapa laporan yang anomali tetapi tidak dapat diterangkan secara saintifik bahawa grafit yang direndam air boleh bertindak sebagai superkonduktor pada suhu bilik.

Tahun-tahun kebelakangan ini telah menjadi aliran "revolusi", "kejayaan" dan "bab baru" dalam bidang superkonduktiviti pada suhu yang lebih tinggi. Pada Oktober 2020, superkonduktiviti pada suhu bilik (pada 15°C) telah dilaporkan dalam karbon disulfida hidrida (3), bagaimanapun, pada tekanan yang sangat tinggi (267 GPa) yang dihasilkan oleh laser hijau. Holy Grail, yang akan menjadi bahan yang agak murah yang akan menjadi superkonduktif pada suhu bilik dan tekanan normal, masih belum ditemui.

3. Bahan berasaskan karbon yang superkonduktif pada 15°C.

Fajar Zaman Magnet

Penghitungan kemungkinan aplikasi superkonduktor suhu tinggi boleh bermula dengan elektronik dan teknologi komputer, peranti logik, elemen memori, suis dan sambungan, penjana, penguat, pemecut zarah. Seterusnya dalam senarai: peranti yang sangat sensitif untuk mengukur medan magnet, voltan atau arus, magnet untuk Alat perubatan MRI, peranti storan tenaga magnetik, kereta api peluru melayang, enjin, penjana, transformer dan talian kuasa. Kelebihan utama peranti superkonduktor impian ini adalah pelesapan kuasa yang rendah, operasi berkelajuan tinggi dan sensitiviti yang melampau.

untuk superkonduktor. Terdapat sebab mengapa loji kuasa sering dibina berhampiran bandar yang sibuk. Malah 30 peratus. dicipta oleh mereka Tenaga elektrik ia mungkin hilang pada talian penghantaran. Ini adalah masalah biasa dengan peralatan elektrik. Kebanyakan tenaga pergi ke haba. Oleh itu, sebahagian besar permukaan komputer dikhaskan untuk bahagian penyejukan yang membantu menghilangkan haba yang dihasilkan oleh litar.

Superkonduktor menyelesaikan masalah kehilangan tenaga untuk haba. Sebagai sebahagian daripada eksperimen, saintis, sebagai contoh, berjaya mencari rezeki arus elektrik di dalam gelang superkonduktor lebih dua tahun. Dan ini tanpa tenaga tambahan.

Satu-satunya sebab arus berhenti adalah kerana tiada akses kepada helium cecair, bukan kerana arus tidak dapat terus mengalir. Eksperimen kami membawa kami untuk mempercayai bahawa arus dalam bahan superkonduktor boleh mengalir selama ratusan ribu tahun, jika tidak lebih. Arus elektrik dalam superkonduktor boleh mengalir selama-lamanya, memindahkan tenaga secara percuma.

в tiada rintangan arus besar boleh mengalir melalui wayar superkonduktor, yang seterusnya menghasilkan medan magnet kuasa yang luar biasa. Ia boleh digunakan untuk mengapungkan kereta api maglev (4), yang sudah boleh mencapai kelajuan sehingga 600 km/j dan berdasarkan magnet superkonduktor. Atau gunakannya dalam loji kuasa, menggantikan kaedah tradisional di mana turbin berputar dalam medan magnet untuk menjana elektrik. Magnet superkonduktor yang kuat boleh membantu mengawal tindak balas pelakuran. Wayar superkonduktor boleh bertindak sebagai peranti penyimpanan tenaga yang ideal, bukannya bateri, dan potensi dalam sistem akan dipelihara selama seribu dan sejuta tahun.

Dalam komputer kuantum, anda boleh mengalir mengikut arah jam atau lawan jam dalam superkonduktor. Enjin kapal dan kereta akan menjadi sepuluh kali lebih kecil daripada hari ini, dan mesin MRI diagnostik perubatan yang mahal akan muat di tapak tangan anda. Dikumpul dari ladang di padang pasir yang luas di seluruh dunia, tenaga suria boleh disimpan dan dipindahkan tanpa sebarang kerugian.

4. Kereta api maglev Jepun

Menurut ahli fizik dan pempopular sains terkenal, Kakuteknologi seperti superkonduktor akan menyambut era baharu. Jika kita masih hidup dalam era elektrik, superkonduktor pada suhu bilik akan membawa bersama mereka era kemagnetan.